Knowledge is like currency, it only makes sense if it flows.
I. Introduction
Because I am in the hardware business, I would like to use this article to introduce how our common computer motherboards, or circuit boards, are designed. This article is based solely on what I have learned from technology. If there is any deficiencies in expression, please give me feedback.
First of all, I would like to use such an example to explain what our work is like. Our design of the board, taking a car as an example, is equivalent to getting a conventional, general "general-purpose" car. Our users have different needs. Some want the car to have larger tires to make it easier for them to travel across mountains and rivers; some want the car to have brighter lights to make it easier for them to drive at night; some want the car to have low fuel consumption and long battery life. It is convenient for him to use it frequently at a lower cost... So our job is to constantly "renovate" and modify it into different configurations to satisfy different customers.
With the continuous integration of hardware circuits, a lot of circuit design has been placed in the chip, so we are like a 4S shop, repairing and transforming, building blocks, and the original chip factory is equivalent to the official original factory of the car, although this example is inevitably misleading. It seems like low status, but it is true.
Fortunately, there is still a need for many 4S stores in the current market, so there is a meaning for our existence;
Fortunately, there are also many "4S store employees" who specialize in technology, study in depth the meaning and principle of each component, and are even proficient in how to "modify" the car to make it very reliable and safe. The cost is lower.
Now enter the main text.
[Other design key points that are not covered are mentioned in most of my previous articles, and the explanations may be more detailed, so you can refer to them here. ]
Taking Intel as an example, the main visible components of a computer motherboard are as follows:
1 |
CPU |
7 |
HDMI/DP interface |
2 |
PCH |
8 |
M2 interface |
3 |
Memory DDR/slot |
9 |
SATA slot |
4 |
EC/MCU |
10 |
PCIE slot |
5 |
Network card IC and network port |
11 |
Fan interface |
6 |
USB interface |
12 |
ATX power interface |
CPU
The CPU in the motherboard is mainly responsible for the data calculation function, which is nothing special. Different CPUs from the same manufacturer may be compatible in terms of packaging, but have different functions, so you need to confirm this when choosing. The key parameters also include the number of CPU cores, main frequency, etc.
PCH
PCH is an independent chip. Its importance in the motherboard can be said to be second only to the CPU. It is a chip that integrates hardware interfaces such as SATA, HDMI, PCIE, and USB. It transmits data to the CPU through the DMI channel.
For domestic Feiteng, the X100 chip set has a very similar function to the PCH. The X100 communicates with the CPU through PCIE.
Memory
The memory is either onboard memory with a fixed capacity, or it has a memory slot where you can insert a memory stick you purchased.
The above circuits are generally obtained directly from the original factory. The original factory will have a reference design. For the memory part layout, you will want to refer directly to the wiring. In fact, the difference in the schematic part will not be too big. It is mainly the difference in chip model and quantity. . The rest depends on the requirements and the skill of the hardware engineer.
2. Establish needs
The customer will tell us what the board should be like, and usually a document will be standardized. The content of the document clearly explains all the information about the product, such as whether there are specific requirements for the CPU, what the main frequency is, how much memory is required, and the onboard The method of memory or plug-in memory stick, how many SATA hard disk interfaces are needed, the number and speed requirements of PCIe, RJ45 network ports, and USB interfaces, whether the display interface is HDMI, TYPE-C or other types, how long the research and development cycle is, and whether the materials are required nationwide. Industrialization, etc.
Don't bother yourself in the early stage. Be sure to determine this information in advance. This can avoid repeated inefficient communication with customers later. The worst case scenario is that what the customer wants is this, but you understand it and make it. That's how it ends up being embarrassing.
Because hardware engineers are responsible for connecting with customers in the early stage, and then there is the entire service chain including PCB engineers, procurement, production, etc. If there is a problem in the early stage, the subsequent links will be affected, so we must try our best to get it right the first time, although we are not gods. , there is no guarantee that it is 100% correct, but we can be infinitely closer to perfection through our own care, strength, etc.
One of the characteristics of my work is that after clarifying the requirements, I first make a hardware block diagram to check whether the selected chip can meet the requirements. I think the significance of doing the block diagram first not only helps us plan our design from a higher perspective, but also helps us check our drawings while designing and facilitates other engineers' first review during the design process. You can quickly become familiar with this design plan. So the beauty of the drawing is very important. Can you believe it, I drew the block diagram of a CPU motherboard into the shape of a robot...
In fact, it is because this is not a computer motherboard, but a core board. Through the industry's standard port, basically all the resources of Intel's CPU and South Bridge are pulled out to the Come ports on the left and right sides, and the corresponding matching boards. Also called a backplane, it receives signals through the matching interface and is made into a form similar to a motherboard.
3. Power supply design
电源的设计在主板中可以说重中之中，电脑电脑，这个字就占了一半，在板卡中无处不在。DC-DC在主板中呈分布式，一般某一个功能的芯片，会配以专门的电源芯片，少部分以公用的形式。
电源接口
主板的供电接口大多是ATX，如下图，其特点是传递功率大，单PIN大约能通过9A电流，性能可靠。在选型的时候，需要考虑整个板子的最大功率来确定电源座子的引脚数，因为电流需要回流，所以是按照连接器的一半引脚数计算功率。
我们在进行电源设计的时候，有如下考虑。
满足负载功率
比如CPU的主供电为0.8V，需要查看规格书，确认该电压的最大电流（满载运行时），所选的DC-DC输出电流一定要大于这个规格，甚至要留有余量，一般可以预留百分之二十。不仅如此，还要横向对比，CPU可能会有不同的型号，比如商业版，工业版，等等，负载电流可能是不一样的，设计时要按照最大规格，以满足未来不同的场景。
其他
这里就很笼统了，选型时还要考虑芯片效率，静态电流，响应，原生支持度，是否需要国产化，芯片是否稳定，便于采购购买，等等，需要考虑的因素很多。事实上，DC-DC在板卡上的设计，专门用一本书可能都讲不完，这里只是侧重于主板形态的电源设计主要需要关注的地方，不细化阐述。
CPU主要电源
对于CPU还说，其他的电源都是通过常见的DCDC产生，但是其核心电源，会通过SVID协议，CPU自己控制自己的供电，达到动态电压的效果，以实现降低功耗的目的。所以这部分设计，外部软件上不会参与太多。
怎么知道电源拓扑有没有问题，以后需要提供相关文档给客户的时候怎么办，因此，对关键电源部分，可以做这样一个表格，进行评估，主要是包括芯片的输出能力，以及负载的数据，甚至还可以加上采购方面的数据，都可以。
供电 分析 |
|
供电网络 |
芯片 |
输出能力 |
负载 |
评估 |
1 |
DDR4（CPU端+颗粒） |
马赛克 |
8A MAX ; 10A PEAK |
4.3A+5.6A=9.9A |
惯例，基本可行 |
|
2 |
VCCIN AUX_CPU |
马赛克 |
32A MAX |
26.5A |
可行 |
|
3 |
VCCIN_AUX_PCH |
马赛克 |
32A MAX |
14.9A |
可行 |
|
4 |
VCCIN |
马赛克 |
30AX4=120A |
74A |
可行 |
DDR4 |
1 |
VDDQ |
DRAM端VDDQ |
1.2V |
5.6A |
马赛克 |
2 |
VTT |
|
0.6V |
1.1A |
马赛克 |
|
3 |
VPP |
|
2.5V |
1A |
马赛克 |
|
4 |
VREF |
|
VDD2/2 |
- |
电阻分压 |
一般板子上会有A类电源（Always，或者STB待机）和S类电源（System），A类电源需要保持永远存在，而S类电源是系统运行时才有，所以在电源网络规划中，可以用驱动能力较强的DC-DC输出A类电源，通过MOS管控制S类电源的输出，需要注意的是，一定要缓启动，因为后面的负载电容通常而言非常大，打开瞬间冲击电流会很大，稍不注意电压就起不来。
当然，系统电源也可以采用DCDC产生的方式。
四、时序设计
供电跟时序是息息相关的，通过控制DC-DC使能，达到某一时刻上电的要求，在X86架构中，电源网络非常复杂，在电源设计时，一定要确保这个电源网络能够满足时序要求。
时序主要以EC或者CPLD等控制为主，硬件电路自相控制为辅。如下图，Intel架构中，CPU或者PCH会在某一时刻通过某些GPIO响应，相当于，芯片自己可以参与到自己的时序当中，只要我们通过硬件手段连接即可。
如下图，将Intel某个平台的CPU和PCH所有电源引脚罗列出来，确保关注到，提高设计正确率。
这是我整理的该平台时序，可以看到步骤非常多，设计上稍有不慎，电路就很难跑起来。
时序分为软件控制与硬件处理，将需要软件工程师操作的信号罗列好，把对应PIN定义备注好更佳。
五、EC设计
EC在板卡中，是常供电，主要肩负着时序控制、键盘管理等功能。设计上需要注意电平问题，比较多的EC通常是3.3V供电，如果其GPIO跟某些1.8V电平芯片的信号对接的话，需要增加电平转换电路。
这里需要注意的是，不是所有板卡的时序管理芯片都是EC，也可能是CPLD或者FPGA等，因为有的CPU的某些信号电源域的电压实在太低了，低于3.3V，甚至低于1.8V，所以直接使用低压的时序芯片会更好。
在时序电路上，DCDC一般会有EN引脚和PG引脚，要做到检测到上一个信号的PG为有效电平时，才去触发下一个信号的使能，这对板卡第一次上电尤其重要，否则出问题的话真的是板毁人郁闷。
六、网口设计
板卡的千兆网口，通常是使用GMI转MDI的PHY芯片，或者是PCIE转MDI的芯片。如果是PCIE转出来，需要确认使用PCIE的lane数，确定带宽，比如某个网卡芯片支持PCIE*2,PCIE*4,输出为四个10/100/1000M网口，如果因为内部资源原因只能提供两路PCIE到这个网卡芯片，那根据带宽计算，是无法满足四个网口同时支持千兆速率的，所以带宽这个地方要考虑好。
七、USB、DP等设计
这些常见的海岸线接口，如果是INTEL，那基本是用PCH出来的，如果是国产飞腾，基本是通过其搭配的X100套片引出。
这些地方设计的难度并不大，做好对应的AC耦合，确定耦合电容大小，上共模电感，接口处ESD IC基本就差不多了。要注意不同信号，相同信号的不同版本耦合电容都可能不一样，需要明确，相关内容我之前的文章有说过。
共模电感3D图：（来源TDK）
也叫共模扼流圈，应用在差分信号中，用来抑制共模信号。在USB信号上，使用共模电感需要注意直流阻抗，选取时这个参数越小越好。
八、PCIE、SATA设计
一些可拔插的网卡声卡，有一排金手指就是PCIE接口实现的，还有那些M2接口的NVMe盘，跑的也是PCIE协议，如果没有写NVMe，那就是跑的SATA协议。
PCIE是差分信号，在信号上要接AC耦合电容，如果是发送端，就在靠近芯片端，所以接口设计上，如果是PCIEX16那种座子，座子旁边是不需要放电容的，电容要么在主板的芯片端，要么在设备端。
电路上一般会有很多的PCIE设备，这个时候首先需要考虑CPU端是否能够按照这样方式拆分，然后确认时钟是否够用，剩下的直连，给供电就可以了。
如果整个系统的PCIE设备很多，一般会在PCIE复位信号上加上buff，增强驱动能力。
SATA的电路，通常直接从芯片端发出来，然后配以耦合电容，提供电源，就差不多了。
九、接口设计
常见的接口如USB，设计上首要做的是限流保护，可以是专门的IC，可以是自恢复保险丝等，因为产品到用户的手上，无法预知对方会有什么神奇的操作，可能会将一块可以导电的物体插入USB口，导致电路板的电源和地短路，为了确保局部异常不影响主机，加上限流IC以后可以在USB端口过流时切断供电，保证系统的5V电压依旧是正常的，只是暂时无法使用USB接口而已。
ESD防护，静电防护非常重要，轻则对芯片工作状态有影响，重则烧毁芯片。一般芯片GPIO引脚会有一定的防护等级，规格书会说明，通常防护能力较低，需要外部加上专门的ESD芯片。
常用ESD模型：
不同的信号选取的ESD会有差别
1、信号工作电压要小于ESD的VRWM。这才能在接口电压高于信号工作电压时才发生触发。
2、理论上ESD的寄生电容越小，对信号的上升和下降速度影响越小。所以速率越高的信号，选取的ESD寄生电容要更小，USB3.0的建议低于0.5PF。
3、确定被保护IC的钳位电压
4、确认防护等级，如IEC 61000-4-2_4，接触8KV，空气15KV。防护等级通常而言，跟芯片的封装大小有直接关系，封装越大，能承受的静电越高。.
下图是某ESD的关键特性：
如果是拔插类的排针等接口，最好做到防呆，防止用户误操作造成损坏。
十、EMC设计
EMC，电磁兼容，设备在运行时会对外界产生电磁骚扰，同时，该设备在运行时也会受到周围产品产生的干扰，其需要具备一定的抗扰能力。这个词更倾向于整个产品而言，而不是单独的一块板卡。EMC和下面的可靠性都需要一定的工作经验，还有足够的专研精神才能设计好，而且这两篇涉及的内容其实很多。
十一、热设计
一般来说器件的可靠性、寿命与工作温度成反比，因此热设计在产品思维中非常重要，我们既要保证产品能够正常工作，还要尽量使其在不同的环境中可靠运行。
热设计其实是倾向于layout来说的，当然了，一般大功率板卡都会设计有风扇。对于layout来说，主要是合理布局，将板卡的热源诸如CPU，DC-DC等在不影响功能的前提下，合理分布，不能将所有DC-DC都放在一边，甚至靠近容易受温度影响的器件。
这里有一个知识点，究竟一个芯片，该用多大的散热片，该用多大的风扇，这里涉及的知识点其实很多，其中对于芯片来说，一般规格书会有一个参数，TDP，就是热量设计功耗，意思是芯片在满负荷运行时释放出来的热量，我们在选用散热片和风扇时，需要考虑这个因素。
十二、可靠性
产品的设计严格上要能通过企业标准的可靠性（高温、高湿、低温，反复开关机等）、兼容性（接口对不同设备的识别率等）、电性能（高速信号眼图、阻抗标准）、EMC（辐射、抗干扰）等测试。可靠性需要结合测试情况进行处理整改。
因为产品会在不同的地区使用，可能环境天差地别，有的工作环境温度很高，有的工作环境温度很低，因此产品设计之初，就需要考虑到板卡的性能是否能够承受住复杂环境的考验，因此出货前的测试尤为重要。
总结来说，通过测试去提前发现问题，解决问题，让产品更可靠，对于口碑的提高和减少售后问题降低经营成本有着重要意义。
十三、物料选型
1、大量发货产品选择器件最重要的就是要能持续稳定供应，因此要物料要谨慎选择，尤其是一些好多年前的产品，不仅性能可能跟不上，还有供应风险。
2、一片板卡上的物料，能合并的尽量合并，比如有两个功能芯片分别需要用到DC-DC支持供电，那尽量选择同一家供应商的DC-DC，方便采购。
3、原则上最好选择有实力的供应商，其产品出货稳定，质量通常也有保障。
4、不少国产芯片会跟外国比如TI的芯片是PIN TO PIN的，所以关键时候是能够替代使用。
十四、调试顺序
板卡设计完成，打样回来以后，有如下调试顺序：
上电前，目测板卡表面状态，确认是否有明显的焊锡粘连，元器件接触不良等现象，使用万用表测量供电接口，确保没有短路。
准备上电时，电压源设置一个比较低的限流保护，这样即使真的有过流情况也能极大的减少损失
上电后板卡正常无异常，电流正常时，安排软件工程师烧录时序代码。
按照主要到次要，功能块逐步调试，先调试CPU，检查时序是否满足，是否有跑起来的现象，然后调试其他功能，比如网卡，声卡等等。
MCU/EC/CPLD调试
一般来说，板卡最先调试的就是掌管全局供电的芯片，通常是MCU或者CPLD等，笔记本基本是EC。这类芯片比较简单，确认供电，复位信号，如果是外部时钟的话也需要看一下，基本就能跑起来了，然后软件工程师烧录代码，时序当然是硬件做的，因为硬件最清楚整个板卡逻辑要怎么跑。
CPU调试
根据CPU规格书，提供合理的时序后，CPU如果能够跑起来，会先通过SPI信号读取BIOS，所以我们可以测量FLASH信号的DATA或者CLK，一步到位就是测量FLASH的DATA OUT，也就是CPU端的DATA IN，如果有正常的波形，说明CPU已经跑了一部分，正在读取配置文件。同时，还可以搭配比如CPU发出的进程信号，PWRGOOD等，确保给到CPU的时钟幅值和频率都是正常的，供电后时刻关注芯片是否有温度，如果还是冷冰冰的，信号都暂时不需要测量了，需要确认启动的相关信号。
PCH调试
Intel的PCH启动跟CPU密切相关，我理解为是一起起来的，因为他们通过一些引脚信号，互相传递，左一步右一步，仔细看时序会发现两者时序是互相交叉的。
我们要使用EC去获取PCH的数据、状态，一般是通过LPC或者ESPI进行数据传输的，ESPI是更新的一种协议，主要是为了取代LPC。这两者都是类似IIC一样，一主多从的连接方式，如果是使用的LPC，还需要确认电路是否有正常产生对应的LPC时钟，通常是33MHz。
时钟调试
在主板中，PCIE是用得非常多的，因此基本都会有专门的PCIE时钟芯片，国产也好，非国产的也罢，通常该芯片是输入一个固定的时钟比如25M，然后通过IIC或者其他方式或者直接固定输出某个频率的时钟，如果是专门的PCIE时钟芯片，那输出就都是100M。
一般在CPU和PCH或者主要的芯片工作起来之前，时钟就要先产生了，因此，电源域上要保证时钟芯片的供给是在第一梯队，接在STB类电源上。
网卡调试
首要确保供电都是正常的，确认时序是要有满足要求，如果有时钟输入，确认信号频率，幅值，有必要的话测试电源纹波，上升时间、晶振的频偏。
网卡一般也是需要有一个专门的FLASH，所以如果此芯片工作不正常，可以直接测量芯片是否有向FLASH读取数据，用示波器测量波形，如果有波形，说明供电复位基本都是正常的，芯片已经开始尝试读取指令了，此时需要确认固件是否是验证过的。如果没有任何波形，就需要确认好电路上下拉配置、电源等等。
如果芯片工作没问题，是PCIE转出去的话，首先能在系统上看到该PCIE设备，一般是带有芯片名称相关的标题。然后进网络管理器查看，固件正确的话，配置相关的IP就可以ping出去了。
十五、测试
功能调试完以后，需要送去安排测试，就是要保证这个板卡不仅仅能用，还能在复杂环境下稳定工作。然后要跟踪测试过程中遇到的问题，及时整改。
同时，事实上很多板子是很难做到一次性做对的，所以就要在使用和测试过程中发现问题，作为硬件工程师，将这些问题记录好，然后一次改版好。
十六、总结
调试每一部分的时候，最好提前研读该芯片的规格书，做到心中有数，才能在上电，左手万用表右手示波器的时候不慌不忙，确保整个调试过程思路清晰，一步一步解决。
其实板卡做多了，感觉通过那一套规则就能设计好调试好，在此之上，如果还能投以兴趣，加以时间积累，那做出来的板卡一定是美观可靠的。